遗传的分子基础概念教学方案

1、“遗传的分子基础”概念教学方案。遗传的分子基础揭示了 DNA是主要的遗传物质，以及遗传物质对遗传信息 的储存、传递和表达。通过遗传的分子基础的教学，让学生要初步形成遗传物质 的结构和功能相统一、多样性与共同性相统一的观点，因此，就要结合相应的概 念图来理解和记忆DNA分子结构和复制、转录和翻译、中心法则、基因对性状的 控制原理等内容。关于转录和翻译的知识要从三个层面来学习：概念、过程和原理，这样会使 学到的知识便于理解和记忆，还要以中心法则为主线，从DNA基因)-RNA蛋白 质(性状)，联系DN与基因本质的关系、DN多样性与蛋白质多样性的关系、DNA 结构和稳定性的维持与基因突变的发生、DN复

2、制与细胞分裂的关系、DNAI制过 程中的相关碱基比例的计算等知识。下面是一个遗传的分子基础专题的概念图：对遗传物质 肺炎双球菌 噬菌体侵染 DNA是主宴 的早期推断的转化实验 细菌实验的遗传物園说明基因与DNA关系的实例DMA是主茎的遗传物质DNA片段中 基因是有遗传效 的遗传信息亠“国的DMA片段DNA-5J-子 ”的结构对DMA制的推测DNA的亘制DNA的复制过程转录(DMA-* mRNA)遗传信息的_转录和翻译翻译(mRNA -蛋白廁场所模板产物一、基因的概念及其发展(一)基因概念的提出孟德尔的遗传因子孟德尔提出：生物的遗传性状是通过“遗传因子”(hereditary factor )进

3、行传递的；遗传因子是一些独立的遗传单位。孟德尔把可观察的性状和控制它的内在的遗传因子区分开来。遗传因子作为基因的雏形名词诞生了。1900年，是遗传学史乃至生物科学史上划时代的一年，来自三个国家的三位 学者独立地“重新发现” 了孟德尔的遗传规律，他们是荷兰的德弗里斯(Hugo DeVries，18481935)、德国的柯灵斯(Carl Erich Correns，18641933)和澳大 利亚的契马克(Erich von Tschermak-Seysenegg ， 1871 1962)。从此，遗传学 进人了孟德尔时代。1909年，丹麦遗传学家约翰逊在精密遗传学原理一书中根据希腊语“给 予生命”之

4、义，创造“基因”(gene) 词来代替孟德尔假定的“遗传因子”。 从此基因便成为遗传因子的代名词一直沿用至今。不过此时的基因仍然是一个未经证实的、仅靠逻辑推理得出的概念。随着遗传学、分子生物学、生物化学领域的发展，人们对基因本性的认识逐渐深入，基因的概念和涵义也不断地发展和丰富。（二）基因结构与功能的探索摩尔根（Morgan）的基因论：一个基因控制一个性状（1926年），明确了基 因存在于染色体上。1、基因与染色体在孟德尔的成果获得承认后，生物界都知道是遗传因子（即基因）决定了生 物的遗传。但是，基因究竟在细胞内的什么地方？摩尔根以果蝇为试验对象回答 了这一问题，基因在染色体上。摩尔根在基因论

5、中绘制了著名的果蝇基因位置图，首次完成了当时最新 的基因概念的描述：基因是在染色体上呈线性排列的遗传单位，它不仅是决定性状的功能单位， 也是一个突变单位和交换单位。至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义 人类第一次把基因与染色体联系起来，认为基因是一种物质，是染色体上的 一个特定的区段。确立并发展了染色体的遗传理论。2、基因与DNA摩尔根确定了染色体是基因的载体。基因研究发展到细胞学水平之后，急需 解决两个基本问题：（ 1 ）基因的化学本性是什么？（2）基因是如何工作的？在研究基因的化学本质上，细胞化学起了重要作用。细胞化学研究表明，染色体的主要成分是蛋白

6、质和核酸。那么，基因究竟是 蛋白质还是核酸？蛋白质作为生命物质的主要成分和生命活动的体现者，它不仅参与所有的生 命过程，而且它的化学结构也有多样性和可塑性，很适于作遗传物质。所以在相当一段时间里，学术界认为基因是蛋白质，认为只有像蛋白质这样 复杂的大分子才能决定细胞的特征和遗传认识到基因的化学本质是核酸而不是蛋白质，经历了一段漫长的历史过程。 发现DNA勺遗传功能，始于1928年格里菲斯（P. Griffith ）所做的用肺炎双 球菌感染小鼠的实验。肺炎双球菌有两种类型：S型：菌体包有多糖类荚膜，菌落光滑（smooth）,有毒性，可以使人患肺炎 或使小鼠患败血症R型：不具荚膜，菌落粗糙（rou

7、gh），无毒性，不致病 格里菲斯用肺炎球菌做实验时发现了一个令人惊异的现象： 加热杀死的能致病的S型菌+不能致病的R型菌一混合一注射到小鼠体内一小 鼠病死从死鼠体内分离出大量的S型肺炎球菌难道S型致病菌复活了吗？这就是著名的“格里菲斯之谜”这是一个令人困惑的结果R型活菌或S型死菌分别注入小鼠体内，都不会致病，而两者混合注入却致病 了。解释：加热杀死的S型菌中存在某种导致细菌类型发生转化的物质。这种物质究竟是什么，人们尚不知道，暂时叫做“转化因子”( transforming principle )。 R型肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象，称为转化(transformation )。导致R型细菌

8、发生转化的因子，其化学本质究竟是什么？这个问题，与遗传学 家提出的“基因的化学本质是什么？”实质上是同一个问题。格里菲斯发现的转化现象为以后认识到 DNA是遗传物质奠定了基础。在美国纽约洛克菲勒研究所工作的 Avery立刻敏感地抓住了这一问题，并在此 基础上继续研究，取得了重大突破。艾弗里等人的实验证据：分离S型死菌的提取液一分别检测各分离组分(蛋白质、类脂、多糖、RNA和DNA的转化活性一只有DNA具有转化因子活性进一步的实验：用化学法和酶法去除S型死菌抽提物中的蛋白质、类脂、多糖和 RNA抽提物的剩余物质R型转化S型1944 年，他们确认，“转化因子”就是 DNA。艾弗里等人的试验和结论是

9、对DNA识史上的一次重大突破，彻底改变了 DNA 在生物体内无足轻重的传统观念。但当时的主流观点并不接受艾弗里 DNAI遗传物质的观念，认为提取的DNAc 论如何纯净，仍然可能有残余的蛋白质，蛋白质才是有活性的转化因子。针对学术界的否定意见，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA#和DNA#分别处理 肺炎球菌的细胞抽提物。结果:(1) 可以破坏、消化蛋白质的胰蛋白酶和糜蛋白酶不影响转化活性；(2) 分解、消化RNA(而不是消化分解DNA的RNA#对转化活性无影响；(3) 在加入分解、消化DNA勺DNAI后，转化活性丧失。 这些实验进一步证明了 dnA为遗传信息载体的功能。发现遗传物质的化学本质是D

10、NA这是基因研究上一个重要的里程碑。 但在当 时，这项重要的发现并未引起足够的重视。 艾弗里虽曾被提名为诺贝尔奖的候选 人，但当时评奖委员会认为“最好等到 DNA勺转化机理更多地为人们所了解的时 候再说”。可是，当争议平息、诺贝尔奖评选委员会准备授奖之时，他已经去世 了。1951年，赫里奥特(RHerriott )提出一个十分富有魅力和启发性的假说：“病毒的作用可能像一个充满着转化因子的注射针。 这样的病毒本身不会进 入细胞，但它不仅用尾部接触寄生细胞， 并可能通过酶的作用在细胞外膜上钻一 小孔，然后病毒头部的DN/就钻入细胞。”1952年，赫尔希(A. D. Hershey)和蔡斯(M Ch

11、ase)证明了噬菌体DNAE 携带遗传信息到后代中去以后，科学界才终于接受了 DNA是遗传信息载体的理论。噬菌体感染实验：35S标记蛋白质外壳的噬菌体 感染 细菌 细菌无放射性32P标记DNAft芯的噬菌体感染细菌细菌有放射性这一结果确凿无疑地证明，进入寄主细胞内的是噬菌体DNA而不是蛋白质外 壳。噬菌体的DN不但包括噬菌体自我复制的信息，而且包括合成噬菌体蛋白质 所需要的全部信息。3、DN似螺旋分子结构模型的提出人们彻底摒弃蛋白质是基因的化学本质的概念，是在 1953年沃森和克里克提 出著名的DN似螺旋分子结构模型之后。1953年4月25日英国的Nature刊登了沃森和克立克的DNA勺双螺旋

12、结构模 型，这一天是分子生物学的诞生日。DNA分子双螺旋结构模型的发现，是生物学史上的一座里程碑：为DNAC制提供了构型上的解释，使人们对DN/作为基因的物质基础不再怀疑；奠定了分子遗 传学的基础。DN双螺旋模型在科学上的影响是深远的与原教材比较，本节教材最大的变化是：没有直接讲述DNA分子的结构特点，而是在讲述DNA分子的结构特点之前，采取讲故事的形式，以科学家沃森和克里 克的研究历程为主线，逐步呈现DN双螺旋结构模型的要点。通过阅读这则故事， 学生不仅能自然地了解DN似螺旋结构模型的基本内容，还能得到多方面的启示： 在众多有造诣的科学家中， 两个年轻学者之所以脱颖而出并非偶然， 首先对问题

13、 的兴趣是科学探索的开端； 多学科知识的背景是科学发现的前提； 科学的思维方 法，锲而不舍的精神， 以及善于利用前人的成果和与他人合作的品质， 是科学发 现的关键。在讲述DN分子复制的过程之前讲述DN盼子复制的推测，不仅可以使学生了 解沃森和克里克在制作DNAI型时，就已经推测出了 DNA分子的自我复制的机制这 一事实，更重要的是旨在使学生理解结构与功能的内在联系，即DNA分子的双螺旋结构，决定了 DN盼子半保留复制的方式。在此基础上讲述DN分子复制的过程， 学生比较容易理解和接受。 这样安排内容， 实际上再次体现了假说演绎法的应 用。最初由孟德尔提出的遗传因子的概念， 通过摩尔根、 艾弗里、

14、 赫尔希和沃森、 克里克等几代科学家的研究，已经使生物遗传机制建立在遗传物质 DNA勺基础之 上。4、DNA口何储存并表达遗传信息？这个问题引起了很多物理学家的兴趣， 1945年，薛定谔在生命是什么一 书中提出了遗传密码的概念。1954年，物理学家伽莫夫提出三联体密码的概念。1961年，尼伦伯格和马太利用三联体密码合成了由笨丙氨酸组成的多肽长链。 到1967年，64种遗传密码的含义全部得到了解答，形成了一部密码辞典。DNA只存在于细胞核中，蛋白质的合成在细胞质中进行，细胞核中的遗传信息 如何转达到细胞质中呢？信息RN和转运RNA勺发现给这个问题提供了答案，1958 年克立克提出的“中心法则”很

15、快得到了证实。1970年特明（H.M. Temin ）以在劳斯肉瘤病毒内发现逆转录酶这一成就进一 步发展和完善了 “中心法则”，至此，遗传信息传递的过程已较清晰地展示在人 们的眼前。过去人们对基因的功能理解是单一的即作为蛋白质合成的模板。但是1961年法国雅各布（F. Jacob）和莫诺（J.L. Monod的研究成果，又大大扩大 了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了 有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根册基因功能把基囚分为结构基囚、调节基因和操纵基因。5、总结DN盼子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合 成有功能的蛋白质或RN/所必需的全部DNZ序列（除部分病毒RNA ,即一个基因 不仅包括编码蛋白质或RNA勺核苷酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列。基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量。本章要求明确的概念：1 转化